CN108759698B - 多镜面透镜组镜面间距的低相干光干涉测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多镜面透镜组镜面间距的低相干光干涉测量方法和装置，其中方法包括：产生第一、第二两低相干光；在第一光路上放置楔形棱镜组，由楔角相同的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜组成；在所述第二光路上放置光学平板和被测多镜面透镜组；调整好被测透镜组至适当位置后，沿楔角的棱面连续移动第二楔形棱镜，使得被测透镜组各镜面的反射光依次与所述第二楔形棱镜的楔角的另一棱面的反射光，在CCD相机接收面上产成干涉条纹，根据所述第二楔形棱镜移动过程中，产生相邻两次干涉条纹的位置读数，计算得到被测多镜面透镜组中心轴上相邻镜面间距。本发明，实现了对多镜面透镜组的镜面间距的非接触无损伤测量，反应灵敏，测量精度高。

Description

多镜面透镜组镜面间距的低相干光干涉测量方法和装置

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种多镜面透镜组的中心轴上镜面间距的低相干光干涉测量方法和装置。

背景技术

多镜面透镜组的镜面间距和透镜中心厚度对光学系统的成像质量有着重要的影响，是需要严格控制的参数。二者的精确测量是光学系统精确装配的前提和基础。采用测厚仪等设备的接触式测量方式，测量时存在精度低、误差大且会对镜面造成损伤等缺点。

目前更先进的技术是非接触测量，主要包括：图像法、图像标定法、轴向色散法、共焦法、差动共焦法、低相干光干涉法、斐索(Fizeau)干涉法以及偏振干涉法等，这些测量方法主要是利用透镜上下表面的反射光信息，实现透镜中心厚度的测量。

上述测量方法中，图像法实施方法简单，但精度最低，其中低相干光干涉法是目前测量精度最高的测量方法，其测量精度可达600nm。如，中国发明专利CN 107401982A公开了一种基于低相干光干涉法的透镜中心厚度的非接触测量方法，采用白光或低相干光作为等光程干涉仪的入射光源，调整等光程干涉仪的两光路臂之间的光程差，使其能够观察到干涉条纹；在等光程干涉仪的两光路臂中分别置入棱镜组和表面严格平行的光学平板玻璃，两路光束分别垂直棱镜组的端面和光学平板玻璃的端面，移动棱镜组中的可动楔形棱镜，调整两光路臂之间的光程差，直至测量过程中第一次观察到干涉条纹；然后，在光学平板玻璃之后或之前置入被测透镜，继续移动棱镜组中的可动楔形棱镜直至测量过程中第二次观察到圆形干涉条纹；分别记录测量过程中置入被测透镜之前和之后两次观察到干涉条纹时，棱镜组中的可动楔形棱镜的联动测量尺的第一位置读数和第二位置读数，并根据记录的第一位置读数和第二位置读数计算被测透镜的中心厚度。该测量方法简单易操作，采用低精度的近似横向机械移动棱镜组中的可动楔形棱镜，实现相干光束对纵向表面位置的高精度扫描，特别适用于测量表面反射率非常低的透镜中心厚度测量。

但是，上述方法仅披露了如何进行单透镜中心厚度的测量，不能实现多镜面透镜组中心轴上各镜面间距的测量。

有鉴于此，需要对现在的低相干光干涉法进行改进，以实现多镜面透镜组中心轴上镜面间距的测量，且方案实施成本低、操作方便，特别是测量精度高，且可调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的低相干光干涉法不能实现多镜面透镜组中心轴上镜面间距测量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多镜面透镜组镜面间距的低相干光干涉测量装置，包括：

第一、第二低相干光，由分束立方棱镜将准直后的平行的低相干光分束而成，第一、第二低相干光分别由第一、第二平面反射镜反射沿原路返回，在CCD相机的接收面上会合重叠产生干涉条纹，第一、第二低相干光的透射和反射光路形成第一光路和第二光路；

第一、第二挡光板，用于打开或遮挡住所述第一、第二平面反射镜；

楔形棱镜组，由楔角相同的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜组成，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜互补放置，内部相对着的两个棱面是各自楔角相邻的棱面，所述第一楔形棱镜固定在所述第一光路中，其楔角相邻的朝外的棱面与所述分束立方棱镜相对，光束垂直入射所述楔角相邻的朝外的棱面；所述第二楔形棱镜可沿所述的楔形棱镜组内部相对着的平行的棱面内且垂直于棱的方向移动，用所述第一挡光板遮住所述第一平面反射镜后，使所述第一低相干光穿过所述第一楔形棱镜后，再入射至所述第二楔形棱镜内且仅被自身的楔角相邻的朝外的棱面反射，并沿原路返回到所述CCD相机的接收面上；

光学平行板，设置在所述第二光路中，通过所述第二挡光板遮住所述第二平面反射镜，使所述第二相干光垂直穿过所述光学平行板后，仅被被测多镜面透镜组中各镜面反射，中心轴上光线沿原路返回到所述CCD相机的接收面上；

调整好被测多镜面透镜组至适当位置后，通过沿所述的内部相对着的平行的棱面内且垂直于棱的方向连续移动所述第二楔形棱镜，使得被测多镜面透镜组的不同镜面的反射光依次与所述第二楔形棱镜的自身的楔角相邻的朝外的棱面反射光，在CCD相机的接收面上先后产生干涉条纹，根据所述第二楔形棱镜的移动距离，计算得到被测多镜面透镜组中各对相邻镜面的间距。

在上述装置中，根据以下公式计算得到被测多镜面透镜组的中心轴线上各相邻镜面的间距t_i，

其中，n_i为被测多镜面透镜组中相邻镜面间材质的折射率，n_p为楔形棱镜组的材质的折射率，α为楔形棱镜组的棱镜的楔角，x_i，x_i+1分别为所述楔形棱镜组中第二楔形棱镜沿所述楔形棱镜组内部的相对着的平行棱面内且垂直于棱的方向移动过程中，先后产生相邻两次干涉条纹的位置读数。

在上述装置中，所述光学平行板与所述楔形棱镜组由相同材料制成。

在上述装置中，所述楔形棱镜组设置在所述的第一光路中，且在远离所述分束立方棱镜一侧放置。

在上述装置中，在测量起初时，所述第二光路中的被测多镜面透镜组前端镜面到所述分束立方棱镜的距离，大于所述第一光路中的楔形棱镜组的第二楔形棱镜的楔角相邻的朝外的棱面至所述分束立方棱镜的距离。

本发明还提供了一种多镜面透镜组的镜面间距低相干光干涉测量方法，包括以下步骤：

产生第一、第二低相干光，由第一、第二平面反射镜反射并沿原路返回，在CCD相机的接收面上产生等光程干涉条纹，第一、第二低相干光的透射和反射光路形成第一光路和第二光路；

在所述的第一光路中，置入楔形棱镜组，所述楔形棱镜组由楔角相同的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜组成，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜互补放置，内部相对着的两个棱面是各自楔角相邻的棱面，所述第一楔形棱镜固定在所述第一光路中，其楔角相邻的朝外的棱面与所述分束立方棱镜相对，光束垂直入射朝外的楔角相邻的的棱面；所述第二楔形棱镜可沿所述的楔形棱镜组内部的相对着的平行的棱面内且垂直棱的方向移动；

在所述的第二光路中，靠近分束立方棱镜一侧置入补偿光程用的光学平行板，让光束垂直于光学平行板通过；

在所述的第一光路中，通过沿所述的楔形棱镜组内部相对着的平行的棱面内且垂直棱的方向移动第二楔形棱镜，仍使所述第一平面反射镜的反射光与所述第二光路中由所述第二平面反射镜反射光分别沿各自的原路返回，在所述CCD相机接收面上会合重叠产生低相干光的等光程干涉条纹；

用所述第一挡光板遮住所述第一平面反射镜后，使所述第一低相干光穿过所述第一楔形棱镜后，再入射至所述第二楔形棱镜内且仅被自身的楔角相邻的朝外的棱面反射，并沿原路返回到所述CCD相机的接收面上；

在所述第二光路上放置待测多镜面透镜组，通过所述第二挡光板遮住所述第二平面反射镜，使所述第二低相干光穿过所述光学平行板后，仅由被测多镜面透镜组中的各镜面反射，中心轴线上的反射光沿原路返回到所述CCD相机的接收面上；

移动被测多面透镜组至适当位置后，再通过沿所述的楔形棱镜组内部相对着的平行的棱面内且垂直棱的方向移动第二楔形棱镜，使得被测多镜面透镜组的不同镜面的反射光依次与所述第二楔形棱镜的楔角相邻的朝外的棱面的反射光，在CCD相机的接收面上先后产生干涉条纹，并记录下所述第二楔形棱镜移动过程中，产生各相邻两次干涉条纹的位置读数x_i，x_i+1；

根据以下公式计算得到被测多镜面透镜组的中心轴线上相邻镜面的间距t_i，

其中，n_i为被测多镜面透镜组中相邻镜面间材质的折射率，n_p为楔形棱镜组的材料的折射率，α为楔形棱镜组的棱镜的楔角，x_i，x_i+1分别为所述第二楔形棱镜移动过程中，依次产生的相邻两次干涉条纹的位置读数。

上述的方法中，测量前，通过调整第一平面反射镜和第二平面反射镜的位置，使得CCD相机的接收面上能够观察到低相干光的等光程干涉条纹，通过沿所述的楔形棱镜组内部的相对着的平行的楔角相邻的棱面内且垂直于棱的方向移动第二楔形棱镜，在CCD相机接收面上观察到低相干光的等光程干涉条纹。

上述方法中，在测量起初时，所述第二光路中的被测多镜面透镜组的对着分束立方棱镜的那个镜面到所述分束立方棱镜的距离，大于所述第一光路中的楔形棱镜组的第二楔形棱镜的朝外的楔角相邻的棱面至所述分束立方棱镜的距离。

上述方法中，所述的干涉条纹是被测多面透镜组的第一镜面、第二镜面及后续的各镜面的反射光，先后与所述第二楔形棱镜的楔角相邻的朝外的棱面的反射光，在CCD相机的接收面上重叠会合后产生的低相干光的等光程干涉条纹。

上述方法中，通过减小所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜的楔角α，提高测量精度。

本发明，基于低相干光的迈克尔孙干涉系统原理，在其中的两路光路中的适当位置，分别置入小角度楔角的楔形棱镜组和光学平行板、被测多镜面透镜组，通过沿小角度楔角的楔形棱镜组内部相对着的且平行的楔角相邻的棱面内且垂直于棱的方向连续移动楔形棱镜组的第二楔形棱镜，精密调节补偿测量过程中两路光干涉时的光程差，依次找到被测透镜组的各镜面反射光分别与小角度楔角的楔形棱镜组的第二楔形棱镜的楔角相邻的朝外的棱面的反射光的等光程的干涉条纹，并记录第二楔形棱镜沿所述方向移动过程中有干涉条纹时的位置读数，计算得到多镜面透镜组的镜面间距。具有操作方便，精度高且可重新设计改变，非接触无损测量等优点。

附图说明

图1为本发明具体实施例1提供的一种多镜面透镜组的镜面间距低相干光干涉测量装置示意图；

图2为本发明中测量过程中调节楔形棱镜组产生低相干光等光程干涉的示意图；

图3为本发明中楔形直角棱镜组的示意图；

图4为本发明中一般楔形棱镜组的示意图；

图5是采用本发明装置和方法测量一双凹透镜中心轴上镜面间隔过程中找到的第一镜面的等光程干涉图；

图6是采用本发明装置和方法测量一双凹透镜中心轴上镜面间隔过程中找到的第二镜面的等光程干涉图。

具体实施方式

本发明提供了一种多镜面透镜组镜面间距的低相干光干涉测量方法和装置，实现了对多镜面透镜组的中心轴上镜面间距的非接触测量，对被测多镜面透镜组无损伤，反应灵敏，测量精度高。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。

本发明所称的多镜面透镜组镜面间距是指多镜面透镜组的中心轴上相邻镜面之间的间距。

本发明的实现原理是：

基于迈克尔孙低相干光干涉系统原理，在其中的两光路中的适当位置分别置入光学平行板、被测多面透镜组和小角度楔角的楔形棱镜组，通过连续移动楔形棱镜组中的可动第二楔形棱镜，精密调节补偿测量过程中两路光干涉时的光程差，依次找到多面透镜组中的各镜面的反射光，分别与可动第二楔形棱镜的外侧端面的反射光相干涉的等光程干涉条纹，并记录有等光程干涉条纹时可动第二楔形棱镜的位置读数，从而计算得到多镜面透镜组的镜面间距。

本发明方案，操作过程中，通过第一、第二挡光板的遮挡，使得第一低相干光仅剩下楔形棱镜组的第二楔形棱镜楔角相邻的朝外的棱面反射光、第二低相干光仅剩下被测多镜面透镜组中的不同镜面上的反射光，通过连续移动楔形棱镜组的可动第二楔形棱镜，精密调节补偿测量过程中两路低相干光的光程差，依次产生被测透镜组中各镜面的反射光分别与楔形棱镜组的可动的第二楔形镜的反射光产生等光程干涉条纹，具有操作方便，精度高且可改变，非接触无损测量等优点。

为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。显然，以下所描述的具体实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施例1。

如图1所示，本发明具体实施例1提供的多镜面透镜组镜面间距的低相干光干涉测量装置，包括：

低相干点光源1，用于产生低相干光；

消色差准直物镜2，用于将低相干点光源1发出的低相干光束变成平行光束射出；

分束立方棱镜3，用于将经消色差准直物镜2发出的平行光束分离成第一低相干光和第二低相干光，同时对第一低相干光和第二低相干光的反射光进行反射或透射；

第一平面反射镜7和第二平面反射镜8，用于将第一低相干光和第二低相干光分别反射并沿原路返回到分束立方棱镜3，再分别经分束立方棱镜3反射和透射后会合重叠；第一、第二低相干光的透射和反射路线称为第一光路和第二光路；

成像物镜11和CCD相机12，用于接收会合重叠后的第一低相干光和第二低相干光，并在CCD相机12的接收面上产生等光程干涉条纹。第一平面反射镜7和第二平面反射镜8用于在测量前，通过调整位置使得CCD相机12的接收面上能够观察到低相干光的等光程干涉条纹。

楔形棱镜组10，由第一楔形棱镜21(图1中楔形棱镜组10的左侧棱镜)和第二楔形棱镜22(图1中楔形棱镜组10的右侧棱镜)组成。第一楔形棱镜21和第二楔形棱镜22在图中可以均为楔形直角棱镜，也可以均为一般的楔形棱镜，两个斜边所在斜面相对且平行有微小间隔，采用一般的楔形棱镜时，两楔角的各自的一个邻面相对且平行有微小间隔，第一楔形棱镜21固定，第二楔形棱镜22可沿自身的斜面(斜边)方向移动并由联动的测量尺测量位移，第二楔形棱镜22也可称为可动的测量用楔形棱镜。第一楔形棱镜21的左侧的棱面与分束立方棱镜3相对，作为第一低相干光的入射端面，第二楔形棱镜22的右侧棱面作为第一低相干光的反射面。

第一挡光板9和第二挡光板6，分别设置在第一平面反射镜7和第二平面反射镜8的前面，用于打开或遮挡住第一平面反射镜7和第二平面反射镜8。在测量多镜面透镜组5的镜面间距过程中，第一挡光板9和第二挡光板6分别遮挡住第一平面反射镜7和第二平面反射镜8，从而使得在测量过程中，仅让第一低相干光和第二低相干光分别被楔形棱镜组10的第二楔形棱镜22的右侧棱面和被测多镜面透镜组5的各镜面反射。

光学平行板4，其两个表面严格平行，光学平行板4位于第二光路上，用于补偿两路低相干光干涉时，楔形棱镜组10初始状态的额外光程差。

被测镜面间距的多镜面透镜组5，位于第二光路上，放置在光学平行板4和第二挡光板6之间。

具体地说，第一低相干光(右侧的一路)，由楔形棱镜组10的入射面(第一棱镜21的左侧棱面)垂直进入，由第二楔形棱镜22的右侧棱面反射后，沿原路返回到分束立方棱镜3，再由分束立方棱镜3反射，经成像物镜11进入CCD相机12。

第二低相干光(上方的一路)先垂直经过光学平行板4，再经过被测多镜面透镜组5，由多面透镜组5中的某一个镜面反射后，沿原路返回到分束立方棱镜3，再由分束立方棱镜3透射后，经成像物镜11进入到CCD相机12。

上述进入CCD相机的第一、第二低相干光在CCD相机12的接收面上重叠。精确移动调整好被测多面透镜组5的位置后，通过沿自身斜面(斜边)方向移动第二棱镜22，使得被测多镜面透镜组5的各镜面的反射光依次与第二棱镜22右侧棱面的反射光在CCD相机12的接收面上产等光程干涉条纹。依所产生等光程干涉条纹时，第二棱镜22在沿斜面(斜边)方向上的位移，间接计算得到被测多镜面透镜组5的中心轴上各相邻镜面的间距。

如图2所示，多镜面透镜组镜面间距的测量详细过程如下：

在测量过程中，楔形棱镜组10中的第二楔形棱镜22沿图中的自身斜面(斜边)方向移动。竖向虚线表示第二楔形棱镜22移动后其右侧棱面的新位置，与横向虚线对应，表示第二棱镜22移动过程中，依次找到被测多镜面透镜组5的连续各个面的反射光，与第二棱镜22的右侧棱面反射光产生等光程干涉条纹。

第一步：调整第一平面反射镜7和第二平面反射镜8各自的位置和倾斜角度，使得CCD相机12的接收面上能够观察到低相干光的等光程干涉条纹。此条纹是直线条纹。该步骤相当于对装置进行校准，因为低相干光的光谱较宽，光学元件对低相干光有色散，只有在两路低相干光严格等光程的条件下，才能产生稳定的干涉条纹。因此，是否观察到干涉条纹，就是判断两路光是否严格等光程的依据。

第二步：在第二平面反射镜8所在的第二光路中，靠近分束立方棱镜3的一侧置入补偿光程用的光学平行板4，让第二低相干光垂直于光学平行板4通过。在第一平面反射镜7所在的第一光路中，置入楔形棱镜组10，调整楔形棱镜组10，让第一中低相干光垂直于第一棱镜21的左侧棱面入射，并且穿过楔形棱镜组10后垂直于第二楔形棱镜22的右侧棱面出射，再由第一平面反射镜7反射后沿原路返回。沿楔形棱镜组10的第二楔形棱镜22自身的斜面(斜边)方向移动第二楔形棱镜，直至再次在CCD相机12的接收面上观察到低相干光的等光程干涉条纹。此条纹仍是直线条纹。

第三步：在第二平面反射镜8所在的第二光路中，离分束立方棱镜3适当远的距离位置置入被测多镜面透镜组5。调整被测多镜面透镜组5等高共轴。

这里的“适当远的距离”是指被测多镜面透镜组5朝向分束立方棱镜3的那个面到分束立方棱镜3的距离，略大于第一光路中楔形棱镜组10中的第二棱镜22的右侧棱面至分束立方棱镜3的距离。

分别在第一、第二平面反射镜7和8所在的第一光路和第二光路中，靠近各自平面反射镜的一侧用第一挡光板9和第二挡光板6遮挡住光，使第一、第二平面反射镜7和8失效。

向分束立方棱镜3沿光轴方向移动被测透镜组5，直至在CCD相机12的接收面上观察到低相干光的等光程干涉条纹。此条纹，是被测多镜面透镜组5的最前端面(第一镜面)的反射光与第二楔形棱镜22右侧的棱面的反射光的等光程干涉条纹。再使被测透镜组5后退微小适当的距离，使之前观察到的干涉条纹消失。

第四步：沿自身斜面(斜边)方向移动楔形棱镜组10的第二楔形棱镜22，直至再次在CCD相机12接收面上观察到等光程干涉条纹。这仍然是被测透镜组5的最前端面(第一镜面)的反射光与第二楔形棱镜的右侧棱面的反射光的等光程干涉条纹。记下此时第二楔形棱镜22沿其斜面(斜边)方向上的位置读数x₁。

第五步：继续沿自身斜面(斜边)方向移动楔形棱镜组10的第二楔形棱镜22，直至在CCD相机12接收面上观察到被测多镜面透镜组5的第二个镜面的反射光，与第二楔形棱镜22右侧的棱面的反射光的等光程干涉条纹。记下此时第二楔形棱镜22沿其斜面(斜边)方向上位置读数x₂。

第六步：继续沿自身斜面(斜边)方向移动楔形棱镜组10的第二楔形棱镜22，直至在CCD相机12的接收面上观察到被测透镜组5的第三个镜面的反射光，与第二楔形棱镜22的右侧的棱面的反射光的等光程干涉条纹。记下此时第二楔形棱镜22沿其斜面(斜边)方向上的位置读数x₃。

如果被测透镜组还有后续的第四个镜面、第五个镜面…，则依次记下沿自身斜面(斜边)方向移动楔形棱镜组10的第二楔形棱镜22过程中观察到等光程的干涉条纹时的位置读数x₄、x₅…。

根据低相干光的干涉原理可知，在测量多镜面透镜组5的镜面间隔过程中，相邻两镜面的反射光依次与楔形棱镜组10的第二棱镜22的右侧棱面的反射光干涉，楔形棱镜组5作为等效可变厚度的光学平行板，增加厚度引起光程的增量等于多面透镜组的相邻两面在轴上的点反射光的光程差，也等于光线在轴上经过这相邻两面的光程的2倍。

设多镜面透镜组5的某两个相邻镜面间材料折射率为n_i，该相邻镜面中心轴线上的间距为t_i，楔形棱镜组10的材料的折射率为n_p，楔形棱镜组10的楔角为α，则第二楔形棱镜22沿自身斜面(斜边)方向上移动过程中，相邻两次干涉条纹位置读数分别为x_i，x_i+1，根据低相干光等光程的干涉条件，有

2n_it_i＝2n_p(x_i+1-x_i)sinα

求得面间中心轴线上的间距为t_i

其测量误差Δt_i为

上式中Δx_i，Δx_i+1是x_i，x_i+1测量误差。

以下是本发明装置的测量精度分析。

一般玻璃材料的折射率在1.4～1.7之间，上述误差计算公式中，两折射率比值约为1，所以影响误差的因子主要是sinα。由于棱镜组的楔角α<<90°，所以sinα<<1。也即移动测量尺测量的位移的误差大大的线性减小了。

在图1所示的装置中，虚线框中的内容为本发明在迈克尔孙低相干光源干涉系统基础上增加的部分，在未加入虚线框中的部分时，适当调整两平面反射镜7和8的位置，当观察到低相干光源的干涉条纹时，说明两路光束是严格等光程的。

当加入虚线框中部分后，只要虚线框中的光学平行板4、被测多面透镜组5和楔形棱镜组10的玻璃材料的色散光学性质相同或相近，被测多面透镜组5放置的位置合适，同时也加入第一、第二挡光板9和6，分别挡去两平面反射镜7和8的反射作用，再适当调节楔形棱镜组10的等效厚度，就可以找到由被测多面透镜组10的某个镜面的反射光，与楔形棱镜组10中第二楔形棱镜22的右侧的棱面的反射光，满足低相干度光干涉的等光程要求而产生干涉条纹。

光学平行板4的作用是平衡楔形棱镜组10对低相干光的色散以及补偿光程差的作用，光学平行板4和楔形棱镜组10用材料相同的光学玻璃制作。

由于被测多镜面透镜组5的各个镜面只有轴上的中心面元可看成平面，围绕轴上的中心面元周边区域是绕轴旋转对称的球面，所以加入被测多镜面透镜组5时，低相干光的等光程干涉条纹是中心较粗的圆斑，周边是渐密渐细的且很快就消失的圆环形条纹，如图5、图6所示。

具体实施例2。

利用以上多镜面透镜组的镜面间距的低相干光干涉测量装置，本发明提供的多镜面透镜组的镜面间距低相干光干涉测量方法，包括以下步骤：

产生第一、第二低相干光，由第一、第二平面反射镜反射并沿原路返回，在CCD相机的接收面上产生等光程干涉条纹，第一、第二低相干光的透射和反射光路形成第一光路和第二光路；

在第一光路上放置上述结构的楔形棱镜组，利用第一挡光板遮住第一平面反射镜，使第一路低相干光穿过第一楔形棱镜后，仅被第二楔形棱镜的朝外的楔角相邻的棱面反射，并沿原路返回到CCD相机的接收面上；

在第二光路上放置光学平行板和待测多镜面透镜组，通过第二挡光板遮住第二平面反射镜，使第二低相干光穿过光学平行板后，仅由被测镜多镜面透镜组中的各镜面反射，并沿原路返回到CCD相机的接收面上；

调整好被测多面透镜组后，通过沿自身斜面(斜边)方向移动第二楔形棱镜，使得被测多面透镜组的不同镜面的反射光依次与第二楔形棱镜的右侧的棱面反射光，在CCD相机的接收面上产生干涉条纹，并记录下产生相邻两次条纹时第二楔形棱镜的位置读数x_i，x_i+1，i为正整数；

根据以下公式计算得到被测多镜面透镜组的中心轴线上相邻两个镜面的间距t_i，

其中，n_i为被测多镜面透镜组中相邻镜面间的材料折射率，n_p为楔形棱镜组的玻璃材料的折射率，x_i，x_i+1分别为所述第二楔形棱镜沿斜面(斜边)移动过程中，产生相邻两次条纹的位置读数。

本发明中，通过楔形棱镜组调节光程的原理如下：

如图3所示，是楔形直角棱镜组的横截面。楔形直角棱镜组10由一对楔角α相同且很小的第一楔形直角棱镜21和第二楔形直角棱镜22组成，它们在同一水平面上以互补位置放置，斜边所在的面相互平行，面间有微小间隔，这样的光学结构的一对棱镜整体上可看成一个等效的光学平行平板。楔形直角棱镜组中，第二楔形直角棱镜22可沿自身斜面(斜边)方向移动，在移动过程中，会导致这一等效的光学平行平板的厚度发生连续改变，垂直于左侧端面(棱面)的入射平行光的光程也随即改变，但出射光的方向不变，对平行光而言还不会发生侧移，由第二楔形直角棱镜的右侧端面(棱面)反射时还能沿原路返回。

第二楔形直角棱镜22，也即直角三角形ΔABC，沿斜边AB方向移动一段距离后，到达图3中的虚线直角三角形ΔA'B'C'的新位置。可看出，移动到新位置后，楔角所在的顶点A移动到A'，等效平行平板的厚度增量是

在直角三角形ΔA'AN中，顶角为楔角α，可得

用

表示直角三角形ΔABC沿斜边AB方向移动的距离，

表示等效光学平行板的厚度增量，则有t＝xsinα。

由于棱镜的楔角α很小，为叙述方便，这里把t称为纵向厚度增量，把x称为近似的横向位移。从公式t＝xsinα可知，α＜90°，sinα＜1，因此有t＜x。这说明大的近似横向位移x线性比例地产生小的纵向厚度增量t。由此可知，大的近似横向测量误差Δx传递给纵向光学平行平板厚度增量的测量误差Δt是线性地减小了，因此提高了纵向光学平行平板厚度的测量精度。

楔角α的值越小，精度就越高。从光学中的光程的概念来说，实现了光程的精密调节和测量。由于楔形直角棱镜组的楔角α可以重新设计改变，所以可以根据精度的需要，设计相应楔角α的楔形直角棱镜组，满足需要的精度要求。

假定楔形直角棱镜的移动测量尺的精度为±1μm，则x_i和x_i+1的误差之和Δx_i+Δx_i+1为±2μm。用LED低相干光作为光源，其中心波长λ＝680nm。玻璃材料K9和QK2对红光656.27nm的折射率分别为1.51390和1.47590。红光680nm和红光656.27nm波长相差不大，可近似认为上述玻璃材料的折射率也是对红光680nm的折射率。如表1所示的一个测量精度分析数据。

表1一个测量精度分析数据

从表1可以看出，当要求多镜面透镜组的轴上镜面间距测量精度越高时，楔形直角棱镜的楔角就越小。从表1还可以看出，可改变楔形直角棱镜的楔角设计，可使多镜面透镜组的镜面间距的测量精度满足设定精度的控制范围内，例如测量精度要求控制在50nm以内，当楔形直角棱镜组和被测透镜组的材料都是K9时，α<1°26'。当二者材料相同时，镜面间距的测量精度与折射率无关，还没有色散，干涉条纹质量最好。

以上所述的楔形棱镜组，其中的两个楔形棱镜可以是如上所述的楔形直角棱镜，也可以是一般的楔形棱镜，如图4所示。如果是一般的楔形棱镜，则上述的斜面是楔角的一个邻面，以上讨论结果和测量使用方法同样适用。

本发明的有益效果如下。

(1)测量方法无接触，对被测多镜面透镜组无损伤；

(2)采用宽光谱的低相干光作为光源的干涉方法进行测量定位，反应灵敏，准确度好。

(3)测量过程中，接近横向移动楔形棱镜实现低相干光束的纵向镜面位置扫描，即变纵向扫描为横向扫描，使得干涉仪在测量过程不必伸缩或整体移动；

(4)用接近光轴垂直方向的低精度位移机构，获得沿光轴方向的高精度位移调节，以实现光轴方向的光程的高精度调节和测量；

(5)可改变楔形棱镜组的楔角设计使镜面间距测量精度控制在50nm以内；

(6)采用光程补偿机制实现低相干度光的干涉，测量多镜面透镜组的中心轴上镜面间距受限制小，测量厚度范围大，可从2μm至100mm；(大厚度测量可以增加一已知厚度的光学平行板，以补偿楔形棱镜组厚度的调节和测量的不足。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多镜面透镜组镜面间距的低相干光干涉测量装置，其特征在于，包括：

第一、第二低相干光，由分束立方棱镜将准直后的平行的低相干光分束而成，第一、第二低相干光分别由第一、第二平面反射镜反射沿原路返回，在CCD相机的接收面上会合重叠产生干涉条纹，第一、第二低相干光的透射和反射光路形成第一光路和第二光路；

第一、第二挡光板，用于打开或遮挡住所述第一、第二平面反射镜；

楔形棱镜组，由楔角相同的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜组成，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜互补放置，内部相对着的两个棱面是各自楔角相邻的棱面，所述第一楔形棱镜固定在所述第一光路中，其楔角相邻的朝外的棱面与所述分束立方棱镜相对，光束垂直入射所述楔角相邻的朝外的棱面；所述第二楔形棱镜可沿所述的楔形棱镜组内部相对着的平行的棱面内且垂直于棱的方向移动，用所述第一挡光板遮住所述第一平面反射镜后，使所述第一低相干光穿过所述第一楔形棱镜后，再入射至所述第二楔形棱镜内且仅被自身的楔角相邻的朝外的棱面反射，并沿原路返回到所述CCD相机的接收面上；

光学平行板，设置在所述第二光路中，通过所述第二挡光板遮住所述第二平面反射镜，使所述第二低相干光垂直穿过所述光学平行板后，仅被被测多镜面透镜组中各镜面反射，中心轴上光线沿原路返回到所述CCD相机的接收面上；

调整好被测多镜面透镜组至适当位置后，通过沿所述的内部相对着的平行的棱面内且垂直于棱的方向连续移动所述第二楔形棱镜，使得被测多镜面透镜组的不同镜面的反射光依次与所述第二楔形棱镜的自身的楔角相邻的朝外的棱面反射光，在CCD相机的接收面上先后产生干涉条纹，根据所述第二楔形棱镜的移动距离，计算得到被测多镜面透镜组中各对相邻镜面的间距。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据以下公式计算得到被测多镜面透镜组的中心轴线上各相邻镜面的间距t_i，

其中，n_i为被测多镜面透镜组中相邻镜面间材质的折射率，n_p为楔形棱镜组的材质的折射率，α为楔形棱镜组的棱镜的楔角，x_i，x_i+1分别为所述楔形棱镜组中第二楔形棱镜沿所述楔形棱镜组内部的相对着的平行棱面内且垂直于棱的方向移动过程中，先后产生的相邻两次干涉条纹的位置读数。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学平行板与所述楔形棱镜组由相同材料制成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述楔形棱镜组设置在所述第一光路中，且在远离所述分束立方棱镜的一侧放置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在测量起初时，所述第二光路中的被测多镜面透镜组前端镜面到所述分束立方棱镜的距离，大于所述第一光路中的楔形棱镜组的第二楔形棱镜的楔角相邻的朝外的棱面至所述分束立方棱镜的距离。

6.一种多镜面透镜组镜面间距的低相干光干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

产生第一、第二低相干光，由第一、第二平面反射镜反射并沿原路返回，在CCD相机的接收面上产生等光程干涉条纹，第一、第二低相干光的透射和反射光路形成第一光路和第二光路；

在所述的第一光路中，置入楔形棱镜组，所述楔形棱镜组由楔角相同的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜组成，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜互补放置，内部相对着的两个棱面是各自楔角相邻的棱面，所述第一楔形棱镜固定在所述第一光路中，其楔角相邻的朝外的棱面与分束立方棱镜相对，光束垂直入射朝外的楔角相邻的的棱面；所述第二楔形棱镜可沿所述的楔形棱镜组内部的相对着的平行的棱面内且垂直棱的方向移动；

在所述的第二光路中，靠近分束立方棱镜一侧置入补偿光程用的光学平行板，让光束垂直于光学平行板通过；

在所述的第一光路中，通过沿所述的楔形棱镜组内部相对着的平行的棱面内且垂直棱的方向移动第二楔形棱镜，仍使所述第一平面反射镜的反射光与所述第二光路中由所述第二平面反射镜反射光沿各的原路返回，在所述CCD相机接收面上会合重叠产生低相干光的等光程干涉条纹；

用所述第一挡光板遮住所述第一平面反射镜后，使所述第一光路穿过所述第一楔形棱镜后，再入射至所述第二楔形棱镜内且仅被自身的楔角相邻的朝外的棱面反射，并沿原路返回到所述CCD相机的接收面上；

在所述第二光路上放置待测多镜面透镜组，通过所述第二挡光板遮住所述第二平面反射镜，使所述第二光路穿过所述光学平行板后，仅由被测多镜面透镜组中的各镜面反射，中心轴线上的反射光沿原路返回到所述CCD相机的接收面上；

移动被测多面透镜组至适当位置后，再通过沿所述的楔形棱镜组内部相对着的平行的棱面内且垂直棱的方向移动第二楔形棱镜，使得被测多镜面透镜组的不同镜面的反射光依次与所述第二楔形棱镜的楔角相邻的朝外的棱面的反射光，在CCD相机的接收面上先后产生干涉条纹，并记录下所述第二楔形棱镜移动过程中，产生各相邻两次条纹的位置读数x_i，x_i+1；

根据以下公式计算得到被测多镜面透镜组的中心轴线上相邻镜面的间距t_i，

其中，n_i为被测多镜面透镜组中相邻镜面间材质的折射率，n_p为楔形棱镜组的材料的折射率，α为楔形棱镜组的棱镜的楔角，x_i，x_i+1分别为所述第二楔形棱镜移动过程中，依次产生的相邻两次干涉条纹的位置读数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，测量前，通过调整第一平面反射镜和第二平面反射镜的位置，使得CCD相机的接收面上能够观察到低相干光的等光程干涉条纹，通过沿所述的楔形棱镜组内部的相对着的平行的楔角相邻的棱面内且垂直于棱的方向移动第二楔形棱镜，在CCD相机接收面上观察到低相干光的等光程干涉条纹。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在测量起初时，所述第二光路中的被测多镜面透镜组的对着分束立方棱镜的那个镜面到所述分束立方棱镜的距离，大于所述第一光路中的楔形棱镜组的第二楔形棱镜的朝外的楔角相邻的的棱面至所述分束立方棱镜的距离。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，测量过程中，所述的干涉条纹是被测多面透镜组的第一镜面、第二镜面及后续的各镜面的反射光，先后与所述第二楔形棱镜的楔角相邻的朝外的棱面的反射光，在CCD相机的接收面上重叠会合后产生的等光程干涉条纹。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过减小所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜的楔角α，提高测量精度。

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